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单原子厚的半导体三明治是迈向超低能耗电子产品的重要一步

一种新的“三明治式”制造工艺在两个镜子之间放置了一个只有一个原子薄的半导体,这使澳大利亚研究人员能够朝着基于光物质混合粒子激子-极化子的超低能量电子学迈出重要一步。

这项由澳大利亚国立大学领导的研究证明了激子的稳健、无耗散传播,以及在高质量反射镜之间反射的光。

传统的电子设备依赖于流动的电子或“空穴”(空穴是指没有电子,即带正电的准粒子)。

然而,未来电子学的一个主要领域将重点放在激子(与空穴结合的电子)的使用上,因为原则上,它们可以通过形成集体超流体状态在半导体中流动而不会损失能量。新的、积极研究的原子级薄半导体中的激子在室温下是稳定的。

因此,原子级薄的半导体是一类很有前途的材料,可用于低能量应用,例如新型晶体管和传感器。然而,正是因为它们很薄,它们的特性,包括激子的流动,受到制造过程中可能引入的无序或缺陷的强烈影响。

由ANU领导的FLEET团队与斯威本大学和FLEET合作机构弗罗茨瓦夫大学的同事一起,将原子级薄材料中的激子与光耦合,首次展示了它们在室内没有任何能量耗散的情况下的长距离传播温度。

当激子(物质)与光子(光)结合时,它会形成一个新的混合粒子——激子极化子。在光学微腔中的两个平行的高质量反射镜之间捕获光可以实现这一点。

在这项新研究中,一种新的光学微腔“三明治式”制造工艺使研究人员能够最大限度地减少对原子级薄半导体的损害,并最大限度地增加激子和光子之间的相互作用。在这种结构中形成的激子极化子能够在没有能量耗散的情况下传播到几十微米,这是电子微芯片的典型尺度。

微腔建设是关键

确保激子极化子的光(光子)分量寿命的高质量光学微腔是这些观察的关键。

研究发现,如果微腔以特定方式构建,激子极化子可以非常稳定,避免在制造过程中损坏夹在镜子之间的脆弱半导体。

“激子在其中传播的原子级薄材料的选择远没有那么重要,”主要作者兼通讯作者马蒂亚斯·伍尔达克说。

“我们发现微腔的构建是关键,”马蒂亚斯说,“虽然我们在这个特定的实验中使用了硫化钨(WS2),但我们相信任何其他原子级薄的TMDC材料也可以使用。”

(过渡金属二硫属化物是激子的极好宿主,承载在室温下稳定并与光强相互作用的激子)。

该团队通过将所有组件一一堆叠来构建微腔。首先制作微腔的底部反射镜,然后在其上放置半导体层,然后通过在顶部放置另一个反射镜来完成微腔。至关重要的是,该团队没有将上部反射镜结构直接沉积在众所周知的易碎的原子级薄半导体上,该半导体在任何材料沉积过程中都很容易损坏。

“相反,我们单独制造整个顶部结构,然后以机械方式将其放置在半导体顶部,就像制作三明治一样,”马蒂亚斯说。

微腔是微米级结构,其光学介质夹在超反射镜之间,用于限制光线以形成激子极化子。信用:舰队

“因此,我们避免了对原子级薄半导体的任何损坏,并保留了其激子的特性。”

重要的是,研究人员优化了这种夹层方法,使腔体非常短,从而最大化了激子-光子相互作用。

“我们也从一些意外中受益,”马蒂亚斯说。“一场制造事故最终成为我们成功的关键!”

偶然的“事故”以两面镜子之间的气隙的形式出现,使它们不严格平行。

微腔中的这个楔子为激子极化子创造了一个电压/电位“斜率”,粒子向上或向下移动。

研究人员发现,一定比例的激子极化子以总能量(势能和动能)守恒的方式在斜坡上下移动。沿着斜坡向下行驶,它们将势能转换为等量的动能,反之亦然。

总能量的完美守恒意味着没有能量在热量中损失(由于“摩擦”),这标志着极化子的“弹道”或无耗散传输。尽管本研究中的极化子没有形成超流体,但由于所有导致能量损失的散射过程都被抑制,因此实现了无耗散。

小组负责人ElenaOstrovskaya教授(ANU)表示:“这是首次在原子级薄的TMDC中进行室温极化子的弹道传输演示,这是迈向未来超低能量基于激子的电子学的重要一步。”

除了创造潜在的“斜率”之外,同样的制造事故还为激子极化子创造了一个潜在的井。这使研究人员能够在井中捕获并积累行进的激子极化子——这是在微芯片上捕获和引导它们的重要第一步。”

激子极化子的长程、室温流动

此外,研究人员证实,激子极化子可以在原子级薄的半导体中传播数十微米(对于功能电子设备来说足够远),而不会散射材料缺陷。这与这些材料中的激子形成对比,激子的行程长度因这些缺陷而显着缩短。

此外,激子极化子能够保持其内在相干性(空间和时间不同点的信号之间的相关性),这预示着它们作为信息载体的潜力。

“这种远程相干传输是在室温下实现的,这对于开发原子级薄半导体的实际应用很重要,”MatthiasWurdack说。

如果未来的激子设备要成为传统电子设备的可行的低能耗替代品,它们必须能够在室温下运行,而无需能源密集型冷却。

“事实上,与直觉相反,我们的计算表明,在较高温度下传播长度越来越长,这对技术应用很重要,”马蒂亚斯说。

2021年9月,《自然通讯》发表了“在原子级薄的半导体中对室温激子极化子进行运动缩小、弹道传输和俘获”。

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